混凝土短肢剪力墙的理论分析与试验研究

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短肢剪力墙是近年来在中国兴起的一种新型的抗侧力构件,它既保留了异形柱不凸出墙面的优点,又克服了异形柱抗震性能不理想等缺点,已在中国多、高层建筑中得到了广泛应用.但由于目前对它的研究还很少,因此还没有一套完整的设计理论和方法来指导工程设计.由于短肢剪力墙的开洞较大、墙肢较短,其力学性能已经较普通剪力墙有了较大的改变.因此,系统地研究短肢剪力墙的力学性能、破坏形态、动力特性已成为工程设计中迫切需要解决的课题.该文把短肢剪力墙定义为联肢墙的一种界限情况,通过理论分析和试验研究,系统地研究它的力学性能、破坏形态和动力特性,主要内容有:(1)采用有限元法,通过对各种不同肢强系数、整体性系数的8层、10层、12层双肢对称联肢墙的分析,定量地给出短肢剪力墙的判别条件,把短肢剪力墙与整体和小开口整体墙及壁式框架区分开来,并给出了短肢剪力墙最小肢高厚比的设计公式和设计表格.(2)通过对8、10、12层双肢、三肢对称短肢剪力墙分别在均布和倒三角形侧向荷载作用下的弹性有限元分析,研究了短肢剪力墙在弹性阶段的宏观力学性能,,内容包括墙肢截面的应力分布规律、整体侧移曲线特性.提出了短肢剪力墙侧移曲线的反弯点高度的计算方程式和设计图表.(3)进行了两榀8层1/7缩尺的对称双肢短肢剪力墙的拟静力实验,研究了短肢剪力墙的滞回特性、破坏形态、和整体性系数对短肢剪力墙的弹塑性性能的影响.试验结果表明,短肢剪力墙是一种强肢弱梁型的联肢墙,连梁的屈服先于墙肢的屈服,且连梁屈服后,由于内力重分布的作用,使材料的性能得到充分的发挥.因此短肢剪力墙结构具有较好延性和耗能能力.对于层数、层高、墙肢尺寸、材料及配筋都相同的短肢剪力墙,其承载能力随整体性系数的增加而增加,而延性却随之减小.此外,该文还根据试验结果给出了短肢剪力墙的设计建议.(4)采用等效框架法的有限元模型,应用带刚域的弹塑性杆单元来模拟短肢剪力墙的连梁,并考虑剪切变形影响,对肢强系数、整体性系数、翼缘宽度和连梁配筋率等参数不同的短肢剪力墙进行弹塑性分析,研究了这些参数对短肢剪力墙弹塑性性能的影响结果表明,在水平荷载作用下,短肢剪力墙的连梁先于墙肢屈服,连梁完全屈服后,剪力墙仍有很大的承载能力和变形能力.在墙肢截面和配筋率一定时,随着肢强系数的增加、整体性系数的减小和连梁配筋率的降低,短肢剪力墙的承载能力降低,侧向变形能力增加;而随着墙肢翼缘宽度的增加,短肢墙的承载能力和侧向变形能力都增加.因此在设计中,通过合理选择这些参数,可以使短肢剪力墙具有较高的承载能力和良好的变形能力.(5)采用连续—离散法导出了短肢剪力墙的侧移刚度矩阵,并在此基础上通过对不同的肢强系数ξ、整体性系数α的单榀短肢剪力墙的动力特性的分析,得出了短肢剪力墙的第1、第2阶振型的周期对肢强系数ξ、整体性系数α的变化反应敏感,且随α和ξ的增加而减小,第3阶及其以上的高阶振型周期对ξ和α的变化反应很不明显的结论.最后,以南京某11层住宅楼为背景工程,应用三维有限元模型分析了短肢剪力墙结构体系的动力特性,并与普通剪力墙结构体系的动力特性进行了比较.结果表明,与普通剪力墙结构体系相比,短肢剪力墙结构体系具有基本周期较长、加速度反应较小、和最大水平位移反应滞后等特点.
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